电荷泵电路和锁相环的利记博彩app

本发明涉及集成电路技术领域，特别是涉及低压宽输出范围的电荷泵电路和锁相环。

背景技术：

作为现代无线通信系统应用中最流行的一种频率合成器结构，锁相环(Phase Locked Loop，PLL)可以完成信号的调制和解调，时钟恢复，以及为混频器和无线接收器的载波恢复产生本振信号。而电荷泵锁相环(Charge Pump Phase-locked Loop，CP-PLL)更是因为其高速度、低噪声等特点，成为现今最普遍的一种锁相环电路。电荷泵(Charge Pump，CP)电路在电荷泵锁相环中起着非常重要的作用，其主要功能是把来自鉴频鉴相器(Phase Frequency Detector，PFD)的UP和DN脉冲数字信号，通过低通滤波器(Loop Filter，LPF)转换为模拟的电压信号，该信号控制压控振荡器(Voltage Control Oscillator，VCO)的振荡频率。因此，电荷泵电路对整个锁相环环路的特性有着非常重要的影响。

传统的实现电荷泵电路充电电流和放电电流匹配的电路结构中，采用运算放大器电路来钳制不同结点间的电压，这不但增加了电路的复杂度，还给电路整体的稳定性带来了一定的隐患。同时若要实现较大的输出电压摆幅，运算放大器的结构还需要实现轨到轨的输入输出特性，进一步增加了运算放大器的设计难度。而且，对于低压工作的运算放大器，其工作频率范围往往较低，不能适用于高频领域。

技术实现要素：

基于此，有必要提供一种无需提供额外的运算放大器，就能实现在较宽输出电压范围内电荷泵充电电流和放电电流的匹配，且电路结构简单的电荷泵电路和锁相环。

一种电荷泵电路，包括依次电连接的启动模块、偏置模块、电流镜模块、充放电反馈控制模块和充放电匹配模块；其中，

所述启动模块用于启动所述偏置模块；

所述偏置模块用于产生恒定的偏置电流并输出至所述电流镜模块；

所述电流镜模块用于接收所述偏置电流，并对所述偏置电流进行放大分两路输出；

所述充放电反馈控制模块，用于检测电荷泵的输出电压，并根据所述输出电压反馈控制所述充放电匹配模块中的充电电流或放电电流，抑制所述充电电流与放电电流的失配；

所述充放电匹配模块用于接收外部充电控制信号或放电控制信号，对电荷泵的输出负载充电或放电。

在其中一个实施例中，所述启动模块包括晶体管M1、M2和M3；其中，

晶体管M1和晶体管M3构成反相器，晶体管M1、晶体管M2的源极与电源端连接，晶体管M1的漏极与晶体管M2的栅极连接后与晶体管M3的漏极连接；晶体管M1的栅极与晶体管M3的栅极连接，晶体管M3的源极接地；晶体管M1的栅极、晶体管M2的漏极分别与所述偏置模块连接。

在其中一个实施例中，所述偏置模块包括晶体管M4、M5、M6、M7、M8、M9和M10；其中，

晶体管M4的源极、晶体管M5的源极、晶体管M10的源极均与电源端连接；晶体管M4的栅极与晶体管M5的栅极连接；晶体管M4的漏极分别与晶体管M4的栅极、所述启动模块、晶体管M6的漏极、晶体管M10的栅极连接；晶体管M5的漏极分别与晶体管M7的漏极、晶体管M7的栅极连接；晶体管M6的栅极与晶体管M7的栅极连接；晶体管M6的源极与晶体管M8的漏极连接；晶体管M7的源极分别与晶体管M9的漏极、晶体管M9的栅极、所述启动模块连接；晶体管M8的源极、晶体管M9的源极均接地；晶体管M10的漏极与电流镜像电路连接。

在其中一个实施例中，所述偏置模块还包括电阻R1、R2和R3，其中，晶体管M8的源极经电阻R1接地；电阻R2、R3并联接地且均为电阻R1的伪电阻。

在其中一个实施例中，所述电流镜模块包括晶体管M11、M12、M13、M14、M15、M16、M17、M18、M19；其中，晶体管M11的源极、晶体管M12的源极、晶体管M15的源极、晶体管M16的源极、晶体管M17的源极均接地；晶体管M13的源极、晶体管M14的源极、晶体管M18的源极、晶体管M19的源极均与电源端连接；

晶体管M11的漏极分别与晶体管M11的栅极、所述偏置模块连接；晶体管M11的栅极与晶体管M12的栅极连接；晶体管M12的漏极分别与晶体管M13的漏极、晶体管M13的栅极连接；晶体管M13的栅极与晶体管M14的栅极连接；晶体管M14的漏极分别与晶体管M15的漏极、晶体管M15的栅极、晶体管M17的栅极连接；晶体管M15的栅极与晶体管M16的栅极连接；晶体管M16的漏极分别与晶体管M18的漏极、晶体管M18的栅极连接；晶体管M18的栅极与晶体管M18的栅极连接；晶体管M17的漏极、晶体管M19的漏极分别与充放电匹配模块连接。

在其中一个实施例中，所述充放电匹配模块包括充电单元和放电单元；其中，

所述充电电路接收所述电流镜模块的一路输出的偏置模块，并根据所述充电控制信号输出充电电流，对电荷泵的输出负载充电；所述放电电路接收所述电流镜模块的另一路输出的偏置模块，并根据所述放电控制信号输出放电电流，对电荷泵的输出负载放电。

在其中一个实施例中，所述充电单元包括晶体管M20、M21、M22、M23和M24；其中，

晶体管M20的源极、晶体管M21的漏极和源极、晶体管M22的源极均与电源端连接；晶体管M20的栅极接地，晶体管M20的漏极分别与晶体管M23的源极、充放电反馈控制模块连接；晶体管M21的栅极分别与晶体管M23的栅极、晶体管M24的栅极连接；晶体管M22的栅极接收所述充电控制信号连接，晶体管M22的漏极与晶体管M24的源极连接；晶体管M23的漏极分别与晶体管M23的栅极、所述电流镜模块连接；晶体管M24的漏极与电荷泵的输出负载连接。

所述放电单元包括晶体管M25、M26、M27、M28和M29；其中，

晶体管M25的漏极分别与晶体管M25的栅极、所述电流镜模块连接；晶体管M25的栅极分别与晶体管M25的漏极、晶体管M26的栅极、晶体管M28的栅极连接；晶体管M25的源极分别与晶体管M27的漏极、所述充放电反馈控制模块连接；晶体管M26的漏极与电荷泵的输出负载连接，晶体管M26的源极与晶体管M29的漏极连接；晶体管M27的栅极与电源端连接，晶体管M27的源极、晶体管M28的源极、漏极、晶体管M29的源极均接地；晶体管M29的栅极接收所述放电控制信号。

在其中一个实施例中，所述充放电反馈控制模块包括充电反馈单元和放电反馈单元；

所述充电反馈单元分别与所述充电单元、电荷泵的输出负载连接；所述充电反馈单元用于检测电荷泵的输出电压，并根据所述输出电压反馈控制所述放电单元输出的放电电流，抑制所述充电电流与放电电流的失配；

所述放电反馈单元分别与所述放电单元、电荷泵的输出负载连接；所述放电反馈单元用于检测电荷泵的输出电压，并根据所述输出电压反馈控制所述充电单元输出的充电电流，抑制所述充电电流与放电电流的失配。

在其中一个实施例中，所述充电反馈单元包括晶体管M30，所述放电反馈单元包括晶体管M31；其中，

晶体管M30的源极与电源端连接，晶体管M30的漏极与所述充电单元连接，晶体管M30的栅极与电荷泵的输出负载连接；

晶体管M31的源极接地，晶体管M31的漏极与所述放电电单元连接，晶体管M31的栅极与电荷泵的输出负载连接。

上述电荷泵电路，包括依次电连接的启动模块、偏置模块、电流镜模块、充放电反馈控制模块和充放电匹配模块。通过充电反馈电路根据检测的电荷泵的输出电压，能够控制充放电匹配模块中的充电电流或放电电流，抑制充电电流与放电电流的失配，就能实现在较宽输出电压范围内，保持电荷泵充电电流和放电电流的匹配。同时，本发明实施例中的电荷泵电路结构简单，适用于低压工作环境。

此外，还提供一种锁相环，包括上述电荷泵电路。

附图说明

图1为一个实施例中电荷泵电路的结构框图；

图2为一个实施例中电荷泵电路的电路原理图；

图3为一个实施例中电荷泵的充电电流和放电电流的匹配仿真图；

图4为一个实施例中电荷泵在100MHz时充电的瞬态仿真图；

图5为一个实施例中电荷泵在100MHz时放电的瞬态仿真图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在限制本发明。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

如图1所示的为一个实施例中电路泵电路的结构框图。一种电荷泵电路，包括依次电连接的启动模块10、偏置模块20、电流镜模块30、充放电反馈控制模块40和充放电匹配模块50。

其中，所述启动模块10用于启动所述偏置模块20；所述偏置模块20用于产生恒定的偏置电流并输出至所述电流镜模块30；所述电流镜模块30用于接收所述偏置电流，并对所述偏置电流进行放大分两路输出；所述充放电反馈控制模块40，用于检测电荷泵的输出电压，并根据所述输出电压反馈控制所述充放电匹配模块50中的充电电流或放电电流，抑制所述充电电流与放电电流的失配；所述充放电匹配模块50用于接收外部充电控制信号或放电控制信号，对电荷泵的输出负载充电或放电。

上述电荷泵电路，包括依次电连接的启动模块10、偏置模块20、电流镜模块30、充放电反馈控制模块40和充放电匹配模块50。通过充电反馈电路根据检测的电荷泵的输出电压，能够控制充放电匹配模块50中的充电电流或放电电流，抑制充电电流与放电电流的失配，就能在较宽输出电压范围内保持电荷泵充电电流和放电电流的匹配。同时，本发明实施例中的电荷泵电路结构简单，适用于低压工作环境。

在一个实施例中，参考图2，启动模块10包括晶体管M1、M2和M3。其中，晶体管采用的是MOS管，晶体管M1、晶体管M2为p沟道MOS管(PMOS)；晶体管M3为n沟道MOS管(NMOS)。晶体管M1和晶体管M3构成反相器，晶体管M1、晶体管M2的源极与电源端连接，晶体管M1的漏极与晶体管M2的栅极连接后与晶体管M3的漏极连接。晶体管M1的栅极与晶体管M3的栅极连接，晶体管M3的源极接地。晶体管M1的栅极、晶体管M2的漏极分别与所述偏置模块20连接。

当电源上电时，所有晶体管均处于关闭状态，节点A为高电平，节点C为低电平。增加启动模块10后，晶体管M1和晶体管M2构成反相器，节点B则为低电平，晶体管MOS管晶体管M2导通，给节点C充电，节点C电平上升，偏置模块20开始偏离零点。当偏置模块20到达稳定状态时，节点A为低电平，节点B为高电平，晶体管MOS管晶体管M2关闭，启动模块10不再影响偏置模块20。

在一个实施例中，偏置模块20采用了非线性基准偏置模块20结构，偏置模块20包括晶体管M4、M5、M6、M7、M8、M9和M10。其中，晶体管采用的是MOS管，晶体管M4、晶体管M5、晶体管M10为p沟道MOS管(PMOS)；晶体管M6、晶体管M7、晶体管M8、晶体管M9为n沟道MOS管(NMOS)。

晶体管M4的源极、晶体管M5的源极、晶体管M10的源极均与电源端连接。晶体管M4的栅极与晶体管M5的栅极连接。晶体管M4的漏极分别与晶体管M4的栅极、所述启动模块10、晶体管M6的漏极、晶体管M10的栅极连接。晶体管M5的漏极分别与晶体管M7的漏极、晶体管M7的栅极连接。晶体管M6的栅极与晶体管M7的栅极连接；晶体管M6的源极与晶体管M8的漏极连接。晶体管M7的源极分别与晶体管M9的漏极、晶体管M9的栅极、所述启动模块10连接。晶体管M8的源极、晶体管M9的源极均接地。晶体管M10的漏极与电流镜像电路连接。通过偏置模块20生稳定的偏置电压，进而控制偏置模块20中的晶体管MOS管产生恒定的偏置电流，其中，偏置模块20产生的恒定偏置电流在10uA左右。

在一个实施例中，偏置模块20还包括电阻R1、电阻R2和电阻R3，其中，晶体管M8的源极经电阻R1接地；电阻R2、电阻R3并联且均为电阻R1的伪电阻。版图实现时，电阻R2、电阻R3放置在电阻R1两边，使得电阻R1周围的物理环境比较均一，减小电阻R1的电阻值受工艺波动的影响。

在一个实施例中，电流镜模块30包括晶体管M11、M12、M13、M14、M15、M16、M17、M18、M19。其中，晶体管采用的是MOS管，晶体管M13、晶体管M14、晶体管M18、晶体管M19为p沟道MOS管(PMOS)；晶体管M11、晶体管M12、晶体管M15、晶体管M16、晶体管M17为n沟道MOS管(NMOS)。其中，晶体管M11、晶体管M12构成第一电流镜对，晶体管M13、晶体管M14构成第二电流镜对；晶体管M15、晶体管M16、晶体管M17构成第三电流镜对；晶体管M18、晶体管M19构成第四电流镜对。

晶体管M11的源极、晶体管M12的源极、晶体管M15的源极、晶体管M16的源极、晶体管M17的源极均接地。晶体管M13的源极、晶体管M14的源极、晶体管M18的源极、晶体管M19的源极均与电源端连接。晶体管M11的漏极分别与晶体管M11的栅极、晶体管M10的漏极连接；晶体管M11的栅极与晶体管M12的栅极连接。晶体管M12的漏极分别与晶体管M13的漏极、晶体管M13的栅极连接。晶体管M13的栅极与晶体管M14的栅极连接。晶体管M14的漏极分别与晶体管M15的漏极、晶体管M15的栅极、晶体管M17的栅极连接。晶体管M15的栅极与晶体管M16的栅极连接。晶体管M16的漏极分别与晶体管M18的漏极、晶体管M18的栅极连接。晶体管M18的栅极与晶体管M18的栅极连接。晶体管M17的漏极、晶体管M19的漏极分别与充放电匹配模块50连接。

在第三电流镜对中，晶体管M16为晶体管M15的镜像，晶体管M17为晶体管M15的另一镜像。偏置模块20输出的偏置电流10uA经第一电流镜对、第二电流镜对后，由第三电流镜将偏置模块20分为两路，一路经晶体管M16、第四电流镜对放大成1晶体管MA的恒定电流后输出至充放电匹配模块50；另一路经晶体管M17放大成1晶体管MA的恒定电流后输出至充放电匹配模块50。偏置模块20产生的恒定电流在10uA左右，通过四对电流镜对晶体管M11/晶体管M12，晶体管M13/晶体管M14，晶体管M15/晶体管M16/晶体管M17，晶体管M18/晶体管M19后，可以将10uA的恒定电流放大到500uA左右，实现了对电流的放大。

在一个实施例中，充放电匹配模块50包括充电单元510和放电单元520；其中，所述充电电路接收所述电流镜模块30的一路输出的偏置模块20，并根据所述充电控制信号输出充电电流，对电荷泵的输出负载充电。所述放电电路接收所述电流镜模块30的另一路输出的偏置模块20，并根据所述放电控制信号输出放电电流，对电荷泵的输出负载放电。

在一个实施例中，充电单元510包括晶体管M20、M21、M22、M23和M24。放电单元520包括晶体管M25、M26、M27、M28和M29。其中，晶体管采用的是MOS管，晶体管M20、晶体管M21、晶体管M22、晶体管M23、晶体管M24为p沟道MOS管(PMOS)；晶体管M25、晶体管M26、晶体管M27、晶体管M28、晶体管M29为n沟道MOS管(NMOS)。

晶体管M20的源极、晶体管M21的漏极和源极、晶体管M22的源极均与电源端连接；晶体管M20的栅极接地，晶体管M20的漏极分别与晶体管M23的源极、充放电反馈控制模块40连接。

晶体管M21的栅极分别与晶体管M23的栅极、晶体管M24的栅极连接。晶体管M22的栅极接收所述充电控制信号(UP)，晶体管M22的漏极与晶体管M24的源极连接。晶体管M23的漏极分别与晶体管M23的栅极、晶体管M17的漏极连接。晶体管M24的漏极与电荷泵的输出负载连接。晶体管M25的漏极分别与晶体管M25的栅极、晶体管M19的漏极连接；晶体管M25的栅极分别与晶体管M25的漏极、晶体管M26的栅极、晶体管M28的栅极连接；晶体管M25的源极分别与晶体管M27的漏极、所述充放电反馈控制模块40连接。晶体管M26的漏极与电荷泵的输出负载连接，晶体管M26的源极与晶体管M29的漏极连接。晶体管M27的栅极与电源端连接，晶体管M27的源极、晶体管M28的源极、漏极、晶体管M29的源极均接地。晶体管M29的栅极接收所述放电控制信号(DN)。

在一个实施例中，所述充放电反馈控制模块40包括充电反馈单元410和放电反馈单元420。所述充电反馈单元410分别与所述充电单元510、电荷泵的输出负载连接；所述充电反馈单元410用于检测电荷泵的输出电压，并根据所述输出电压反馈控制所述放电单元520输出的放电电流，抑制所述充电电流与放电电流的失配。所述放电反馈单元420分别与所述放电单元520、电荷泵的输出负载连接；所述放电反馈单元420用于检测电荷泵的输出电压，并根据所述输出电压反馈控制所述充电单元510输出的充电电流，抑制所述充电电流与放电电流的失配。

在一个实施例中，所述充电反馈单元410包括晶体管M30，晶体管M30为p沟道MOS管(PMOS)，所述放电反馈单元420包括晶体管M31，晶体管M31为n沟道MOS管(NMOS)。其中，晶体管M30的源极与电源端连接，晶体管M30的漏极分别与晶体管M20的漏极、晶体管M23的源极连接，晶体管M30的栅极与电荷泵的输出负载连接。晶体管M31的源极接地，晶体管M31的漏极分别晶体管M25的源极、晶体管M27的漏极连接，晶体管M31的栅极与电荷泵的输出负载连接。

具体地，充电控制信号UP控制充电单元510中的开关MOS管M22，放电控制信号DN控制放电单元520中的开关MOS管M26。当充电控制信号UP、放电控制信号DN均为高电平时，充电单元510、放电单元520构成回路。充放电反馈控制模块40检测电荷泵的输出电压OUT，并将检测的输出电压反馈至充电反馈单元410晶体管M30或放电反馈单元420晶体管M31，进而控制充放电匹配模块50在在较宽输出范围内实现匹配。

进一步地，当输出电压OUT电压上升时，其充电反馈单元410晶体管M30进入深三级管区，等效的导通电阻降低，减少了镜像到放电单元520中输出支路(晶体管M26，晶体管M29)的电流，因此也就减小了充电电流和放电电流的失配。当输出电压OUT电压下降时，其放电反馈单元420晶体管M31进入深三极管区，等效的导通电阻降低，减少了镜像到充电单元510中输出支路(晶体管M22，晶体管M24)的电流，因此也就减小了充电电流和放电电流的失配。通过上述电荷泵电路，就能实现在较宽输出电压范围内电荷泵充电电流和放电电流的匹配。同时，本发明实施例中的电荷泵电路结构简单，适用于低压工作环境。

如图3所示的为电荷泵的充电电流和放电电流的匹配仿真图，黑实线代表充电电流随输出电压的变化关系，黑色虚线代表放电电流随输出电压的变化关系，灰色实线代表的是充电电流和放电电流在整个输出摆幅范围内的差值。由图3可知，当电源电压为1V时，输出电压摆幅从113mV到870mV，充电电流和放电电流的误差小于4％。图4电荷泵在100MHz时充电的瞬态仿真图，图5电荷泵在100MHz时放电时的瞬态仿真图。由图4和图5可以看出，当充电控制信号或放电控制信号在100MHz时，该电荷泵充电和放电的瞬态仿真没有毛刺现象。传统的采用运算放大器扩展电荷泵充电电流和放电电流匹配的电路结构复杂，其工作频率范围受到运算放大器带宽的影响，不能工作在较高的频率。而本发明实施例中，该电荷泵电路能在较高的频率范围内工作。即便是没有采用运算放大器，在较宽输出电压范围内也能保持电荷泵充电电流和放电电流的匹配。

此外，还提供一种锁相环(图中未示)，包括上述任一实施例中的电荷泵电路。由于锁相环中内置有上述任一实施例中的电荷泵电路，可以在较宽输出电压范围内保持电荷泵充电电流和放电电流的匹配。在一个实施例中，由于电荷泵电路的电路结构简单，适用于低压低功耗锁相环系统中。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。